Illustrazione di un nuovo sistema ottico per miniaturizzare il raffreddamento laser degli atomi, un passo fondamentale verso il raffreddamento degli atomi su un microchip. Un raggio di luce laser viene lanciato da un circuito integrato fotonico (PIC), aiutato da un elemento chiamato convertitore di modalità estrema (EMC) che espande notevolmente il raggio. Il raggio colpisce quindi un oggetto accuratamente progettato, pellicola ultrasottile nota come metasuperficie (MS), che è costellato di minuscoli pilastri che espandono ulteriormente e modellano la trave. Il raggio viene diffratto da un chip reticolo per formare più raggi laser sovrapposti all'interno di una camera a vuoto. La combinazione di raggi laser e un campo magnetico raffredda in modo efficiente e intrappola un'ampia raccolta di atomi gassosi in una trappola magneto-ottica (MOT). Credito:NIST
È bello essere piccoli. Gli scienziati del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno miniaturizzato i componenti ottici necessari per raffreddare gli atomi fino a pochi millesimi di grado sopra lo zero assoluto, il primo passo per impiegarli su microchip per guidare una nuova generazione di orologi atomici super-accurati, abilitare la navigazione senza GPS, e simulare sistemi quantistici.
Raffreddare gli atomi equivale a rallentarli, che li rende molto più facili da studiare. A temperatura ambiente, gli atomi sfrecciano nell'aria quasi alla velocità del suono, circa 343 metri al secondo. Il rapido, gli atomi che si muovono casualmente hanno solo interazioni fugaci con altre particelle, e il loro movimento può rendere difficile misurare le transizioni tra i livelli di energia atomica. Quando gli atomi rallentano a passo d'uomo, circa 0,1 metri al secondo, i ricercatori possono misurare le transizioni energetiche delle particelle e altre proprietà quantistiche in modo abbastanza accurato da poter essere utilizzate come standard di riferimento in una miriade di dispositivi di navigazione e altri.
Per più di due decenni, gli scienziati hanno raffreddato gli atomi bombardandoli con luce laser, un'impresa per la quale il fisico del NIST Bill Phillips ha condiviso il Premio Nobel per la fisica nel 1997. Sebbene la luce laser normalmente energizzi gli atomi, facendoli muovere più velocemente, se la frequenza e le altre proprietà della luce sono scelte con attenzione, accade il contrario. Colpendo gli atomi, i fotoni laser riducono la quantità di moto degli atomi finché non si muovono abbastanza lentamente da essere intrappolati da un campo magnetico.
Ma per preparare la luce laser in modo che abbia le proprietà di raffreddare gli atomi in genere è necessario un gruppo ottico grande quanto un tavolo da pranzo. Questo è un problema perché limita l'uso di questi atomi ultrafreddi al di fuori del laboratorio, dove potrebbero diventare un elemento chiave di sensori di navigazione ad alta precisione, magnetometri e simulazioni quantistiche.
Ora il ricercatore del NIST William McGehee e i suoi colleghi hanno ideato una piattaforma ottica compatta, solo circa 15 centimetri (5,9 pollici) di lunghezza, che raffredda e intrappola gli atomi gassosi in una regione larga 1 centimetro. Sebbene siano stati costruiti altri sistemi di raffreddamento in miniatura, questo è il primo che si basa esclusivamente su flat, o planare, ottica, che sono facili da produrre in serie.
"Questo è importante in quanto dimostra un percorso per realizzare dispositivi reali e non solo piccole versioni di esperimenti di laboratorio, " ha detto McGehee. Il nuovo sistema ottico, pur essendo ancora circa 10 volte troppo grande per stare su un microchip, è un passo fondamentale verso l'impiego di atomi ultrafreddi in una miriade di navigazione basata su chip e dispositivi quantistici al di fuori di un ambiente di laboratorio. Ricercatori del Joint Quantum Institute, una collaborazione tra il NIST e l'Università del Maryland a College Park, insieme a scienziati dell'Istituto per la ricerca in elettronica e fisica applicata dell'Università del Maryland, anche contribuito allo studio.
L'apparato, descritto online nel Nuovo Giornale di Fisica, composto da tre elementi ottici. Primo, la luce viene lanciata da un circuito ottico integrato utilizzando un dispositivo chiamato convertitore di modalità estrema. Il convertitore ingrandisce il raggio laser stretto, inizialmente circa 500 nanometri (nm) di diametro (circa cinque millesimi lo spessore di un capello umano), a 280 volte quella larghezza. Il raggio ingrandito colpisce quindi un oggetto accuratamente progettato, pellicola ultrasottile nota come "metasuperficie" costellata di minuscoli pilastri, circa 600 nm di lunghezza e 100 nm di larghezza.
I nanopilastri agiscono per allargare ulteriormente il raggio laser di un altro fattore di 100. L'allargamento drammatico è necessario affinché il raggio interagisca in modo efficiente e raffreddi una vasta collezione di atomi. Inoltre, compiendo quell'impresa all'interno di una piccola regione di spazio, la metasuperficie miniaturizza il processo di raffreddamento.
La metasuperficie rimodella la luce in altri due importanti modi, alterando contemporaneamente l'intensità e la polarizzazione (direzione di vibrazione) delle onde luminose. ordinariamente, l'intensità segue una curva a campana, in cui la luce è più brillante al centro del fascio, con un graduale decadimento su entrambi i lati. I ricercatori del NIST hanno progettato i nanopillar in modo che le minuscole strutture modificassero l'intensità, creando un fascio che ha una luminosità uniforme su tutta la sua larghezza. La luminosità uniforme consente un uso più efficiente della luce disponibile. Anche la polarizzazione della luce è fondamentale per il raffreddamento del laser.
L'espansione, il raggio rimodellato colpisce quindi un reticolo di diffrazione che divide il singolo raggio in tre coppie di raggi uguali e diretti in senso opposto. In combinazione con un campo magnetico applicato, i quattro raggi, spingendo gli atomi in direzioni opposte, servono per intrappolare gli atomi raffreddati.
Ogni componente del sistema ottico, il convertitore, la metasuperficie e il reticolo erano stati sviluppati al NIST ma erano in funzione in laboratori separati nei due campus del NIST, a Gaithersburg, Maryland e Boulder, Colorado. McGehee e il suo team hanno riunito i diversi componenti per costruire il nuovo sistema.
"Questa è la parte divertente di questa storia, " ha detto. "Conoscevo tutti gli scienziati del NIST che avevano lavorato in modo indipendente su questi diversi componenti, e ho capito che gli elementi potevano essere messi insieme per creare un sistema di raffreddamento laser miniaturizzato."
Sebbene il sistema ottico dovrà essere 10 volte più piccolo per raffreddare al laser gli atomi su un chip, l'esperimento "è una prova di principio che si può fare, " ha aggiunto McGehee.
"In definitiva, rendere la preparazione della luce più piccola e meno complicata consentirà alle tecnologie basate sul raffreddamento laser di esistere al di fuori dei laboratori, " Egli ha detto.
